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革命性发现,不同质量的中子星具有相同的大小,颠覆了天体模型

在已知的宇宙中,没有什么能与中子星相提并论。这些天体诞生于超新星爆发,在城市大小的空间中包含恒星大小的质量。这种独特的特性让科学家们相信,一些极端的物理现象可能发生在它们的内部——甚至可能是中子本身溶解成一种称为夸克物质的柔软黏性物质。

然而,我们无法窥视中子星的内部,所以我们必须依靠我们能够测量的特性,即它们的质量和大小。夸克物质在恒星引力作用下应该比完整的中子更容易被压缩,所以如果中子星充满了核黏性物质,它们不仅应该很小,而且会随着质量的增加而变小。

不幸的是,要测量一个几千光年之外的几公里宽的物体的确切大小是极其困难的。法国国家科学研究中心的理论物理学家米凯拉·厄特尔(Micaela Oertel)说,对中子星质量和大小的综合测量是“中子星物理学的圣杯”。

革命性发现,不同质量的中子星具有相同的大小,颠覆了天体模型

但是在2019年,NASA的中子星内部组成探测器测量了一颗名为J0030的中子星的大小,它的质量是太阳质量的1.4倍,距离地球1000光年,直径约为26公里。现在,利用更好的数据,两个独立的团队对另一颗距离地球3000光年的中子星J0740进行了同样的分析。

结果令人惊讶。J0740是已知的质量最大的中子星,质量为太阳的2.1倍,比J0030大50%。然而,这两个中子星的大小基本上是一样的。

这一发现意味着中子星可能是奇异的,但还不至于奇异到它们消灭了中子本身。佛罗里达州立大学的理论物理学家豪尔赫·皮卡列维茨(Jorge Piekarewicz))说:“这可能表明,这些非常奇异的物质状态在中子星的核心可能无法实现。”

一颗质量为太阳8到20倍的巨星在生命结束时耗尽其燃料,中子星就形成了。由于没有向外的压力来对抗恒星的引力,它就坍塌了。它的外壳向外爆炸,形成一颗超新星,只留下高密度的核心——中子星。

在由离子和电子组成的薄壳下面是中子星的核心,占其全部质量的99%。在那里,质子和电子被紧紧地挤在一起,形成了一个以中子为主的“海洋”。然而,如果把这些粒子进一步推向内核,更奇怪的事情可能会发生。其中一篇新论文的主要作者、马里兰大学的天体物理学家科尔·米勒(Cole Miller)说,“这里有一个夸克的海洋,而不是单个的中子和质子。夸克是中子和质子的组成部分。”

革命性发现,不同质量的中子星具有相同的大小,颠覆了天体模型

到目前为止,一些模型预测,质量足够大的中子星会产生巨大的密度,以至于它们会把中子和质子分裂成夸克。阿姆斯特丹大学天体物理学家安娜·沃茨(Anna Watts)说,“由于它们的内部经历了从常规物质向相对可压缩的夸克物质的转变,半径应该会变小。”

另一方面,一些模型的预测却恰恰相反。相变可能要到中子星坍缩成黑洞的时候才会发生。问题是,如果有什么奇怪的东西在高密度下形成,它什么时候开始起作用?

瓦茨说,如果像J0740这样的中子星经历了这种相变,并且包含更多“可压缩的”夸克物质,那么它的直径应该在9到16公里之间。然而,米勒说,即使考虑到不确定性,研究人员已经确立了22公里直径的“相当强的下限”。

结果表明,中子星形成夸克物质的质量超过2.1太阳质量。相反,即使在最极端的尺度下,质子和中子也可能持续存在。瓦茨说:“看起来最柔软的模型肯定被排除了。”

由于中子星本身的特性,更好的方法可以测量中子星的半径。当它们快速旋转时,它们表面的热点——就像在地球上发现的那些磁极,但被大大放大了——随着它们旋转,发射出x射线。由于中子星的巨大引力,即使是发生在恒星远端的光也会被引力弯曲。更精确地测量这些x射线的到达时间使科学家能够确定中子星的大小。

杰斐逊实验室的一项最新结果似乎支持了这一革命性的发现。通过向铅发射一束电子,科学家发现所谓的中子“皮”比质子“皮”要大。这种差异表明中子星应该比以前的预测大2公里。研究结果发表在《物理评论快报》上。

这一研究仍处于早期阶段,一些不确定性需要被修正。第三个中子星的半径正在被测量中,这可能在确认或驳斥这些发现方面起到很大的作用。目前为止,研究结果指向了一些有趣的东西。即使是中子星——宇宙中密度最大的物质集合,其密度也可能不足以产生某种形式的奇异物质。这是第一个有力的证据,证明中子星的核心存在戏剧性的相变。

原文链接:http://www.toutiao.com/a6966635439235088927

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